互聯網協議淺析
時間：2018-09-29 來源：未知
我們每天都在使用互聯網，那么它是如何實現的呢？
全世界幾十億臺電腦，連接在一起，兩兩通信。西安的某一塊網卡送出信號，舊金山的另一塊網卡居然就收到了，兩者實際上根本不知道對方的物理位置，這是多么神奇的事情!互聯網的核心即是一系列協議，總稱為"互聯網協議"（Internet Protocol Suite）。它們對電腦如何連接和組網，做出了詳盡的規定。理解了這些協議，就理解了互聯網的原理。
下面就是我在網上閱讀了大量博客和網文后自己的理解。因為這些協議實在太復雜、太龐大，為了保證簡單易懂，我做了大量的簡化，有些地方并不全面和精確，但是應該能夠說清楚互聯網的原理。
一、概述
1.1 五層模型
互聯網的實現，分成好幾層。每一層都有自己的功能，就像建筑物一樣，每一層都靠下一層支持。
用戶接觸到的，只是上面的一層，根本沒有感覺到下面的層。要理解互聯網，必須從下層開始，自下而上理解每一層的功能。
如何分層有不同的模型，有的模型分七層，有的分四層。我覺得，把互聯網分成五層是比較容易理解和認識的一種，因此在這里，引用五層模型來劃分。
如上圖所示，底下的一層叫做"實體層"（Physical Layer），上面的一層叫做"應用層"（Application Layer），中間的三層（自下而上）分別是"鏈接層"（Link Layer）、"網絡層"（Network Layer）和"傳輸層"（Transport Layer）。越下面的層，越靠近硬件；越上面的層，越靠近用戶。
它們叫什么名字，其實并不重要。只需要知道，互聯網分成若干層就可以了。
1.2 層與協議
每一層都是為了完成一種功能。為了實現這些功能，就需要大家都遵守共同的規則。
大家都遵守的規則，就叫做"協議"（protocol）。
互聯網的每一層，都定義了很多協議。這些協議的總稱，就叫做"互聯網協議"（Internet Protocol Suite）。它們是互聯網的核心，下面來介紹每一層的功能，主要就是介紹每一層的主要協議。
二、實體層
我們從底下的一層開始。
電腦要組網，第一件事要干什么？當然是先把電腦連起來，可以用光纜、電纜、雙絞線、無線電波等方式。
這就叫做"實體層"，它就是把電腦連接起來的物理手段。它主要規定了網絡的一些電氣特性，作用是負責傳送0和1的電信號。
三、鏈接層
3.1 定義
單純的0和1沒有任何意義，必須規定解讀方式：多少個電信號算一組？每個信號位有何意義？
這就是"鏈接層"的功能，它在"實體層"的上方，確定了0和1的分組方式。
3.2 以太網協議
早期的時候，每家公司都有自己的電信號分組方式。逐漸地，一種叫做“以太網”（Ethernet）的協議，占據了主導地位。
以太網規定，一組電信號構成一個數據包，叫做"幀"（Frame）。每一幀分成兩個部分：標頭（Head）和數據（Data）。
"標頭"包含數據包的一些說明項，比如發送者、接受者、數據類型等等；"數據"則是數據包的具體內容。
"標頭"的長度，固定為18字節。"數據"的長度，短為46字節，長為1500字節。因此，整個"幀"短為64字節，長為1518字節。如果數據很長，就必須分割成多個幀進行發送。
3.3 MAC地址
上面提到，以太網數據包的"標頭"，包含了發送者和接受者的信息。那么，發送者和接受者是如何標識呢？
以太網規定，連入網絡的所有設備，都必須具有"網卡"接口。數據包必須是從一塊網卡，傳送到另一塊網卡。網卡的地址，就是數據包的發送地址和接收地址，這叫做MAC地址。
每塊網卡出廠的時候，都有一個全世界獨一無二的MAC地址，長度是48個二進制位，通常用12個十六進制數表示。
前6個十六進制數是廠商編號，后6個是該廠商的網卡流水號。有了MAC地址，就可以定位網卡和數據包的路徑了。
注：有可能出現兩塊網卡的MAC地址相同，產生沖突的問題，但是概率非常小，并且有兩種方法可以解決它：
1、網卡廠商提供有配置程序，可以直接改硬件MAC。
2、各種操作系統也都提供偽造MAC地址的方式來解決三層系統中MAC沖突的問題。
在這里我們不做詳細描述，姑且認為MAC地址是獨一無二的。
3.4 廣播
定義地址只是第一步，后面還有更多的步驟。
首先，一塊網卡怎么會知道另一塊網卡的MAC地址？
回答是有一種ARP協議，可以解決這個問題。這個留到后面介紹，這里只需要知道，以太網數據包必須知道接收方的MAC地址，然后才能發送。
其次，就算有了MAC地址，系統怎樣才能把數據包準確送到接收方？
回答是以太網采用了一種很"原始"的方式，它不是把數據包準確送到接收方，而是向本網絡內所有計算機發送，讓每臺計算機自己判斷，是否為接收方。
上圖中，1號計算機向2號計算機發送一個數據包，同一個子網絡的3號、4號、5號計算機都會收到這個包。它們讀取這個包的"標頭"，找到接收方的MAC地址，然后與自身的MAC地址相比較，如果兩者相同，就接受這個包，做進一步處理，否則就丟棄這個包。這種發送方式就叫做"廣播"（broadcasting）。
有了數據包的定義、網卡的MAC地址、廣播的發送方式，"鏈接層"就可以在多臺計算機之間傳送數據了。
四、網絡層
4.1 網絡層的由來
以太網協議，依靠MAC地址發送數據。理論上，單單依靠MAC地址，西安的網卡就可以找到舊金山的網卡了，技術上是可以實現的。
但是，這樣做有一個重大的缺點。以太網采用廣播方式發送數據包，所有成員人手一"包"，不僅效率低，而且局限在發送者所在的子網絡。也就是說，如果兩臺計算機不在同一個子網絡，廣播是傳不過去的。這種設計是合理的，否則互聯網上每一臺計算機都會收到所有包，那會引起災難。
互聯網是無數子網絡共同組成的一個巨型網絡，很難想象西安和舊金山的電腦會在同一個子網絡，這幾乎是不可能的。
因此，必須找到一種方法，能夠區分哪些MAC地址屬于同一個子網絡，哪些不是。如果是同一個子網絡，就采用廣播方式發送，否則就采用"路由"方式發送。（"路由"的意思，就是指如何向不同的子網絡分發數據包，這是一個很大的主題，在這里不涉及。）遺憾的是，MAC地址本身無法做到這一點。它只與廠商有關，與所處網絡無關。
這就導致了"網絡層"的誕生。它的作用是引進一套新的地址，使得我們能夠區分不同的計算機是否屬于同一個子網絡。這套地址就叫做"網絡地址"，簡稱"網址"。
于是，"網絡層"出現以后，每臺計算機有了兩種地址，一種是MAC地址，另一種是網絡地址。兩種地址之間沒有任何聯系，MAC地址是綁定在網卡上的，網絡地址則是管理員分配的，它們只是隨機組合在一起。
網絡地址幫助我們確定計算機所在的子網絡，MAC地址則將數據包送到該子網絡中的目標網卡。因此，從邏輯上可以推斷，必定是先處理網絡地址，然后再處理MAC地址。
4.2 IP協議
規定網絡地址的協議，叫做IP協議。它所定義的地址，就被稱為IP地址。
目前，廣泛采用的是IP協議第四版，簡稱IPv4。這個版本規定，網絡地址由32個二進制位組成。
習慣上，我們用分成四段的十進制數表示IP地址，從0.0.0.0一直到255.255.255.255。
互聯網上的每一臺計算機，都會分配到一個IP地址。這個地址分成兩個部分，前一部分代表網絡，后一部分代表主機。比如，IP地址172.16.254.1，這是一個32位的地址，假定它的網絡部分是前24位（172.16.254），那么主機部分就是后8位（后的那個1）。處于同一個子網絡的電腦，它們IP地址的網絡部分必定是相同的，也就是說172.16.254.2應該與172.16.254.1處在同一個子網絡。
但是，問題在于單單從IP地址，我們無法判斷網絡部分。還是以172.16.254.1為例，它的網絡部分，到底是前24位，還是前16位，甚至前28位，從IP地址上是看不出來的。
那么，怎樣才能從IP地址，判斷兩臺計算機是否屬于同一個子網絡呢？這就要用到另一個參數"子網掩碼"（subnet mask）。
所謂"子網掩碼"，就是表示子網絡特征的一個參數。它在形式上等同于IP地址，也是一個32位二進制數字，它的網絡部分全部為1，主機部分全部為0。比如，IP地址172.16.254.1，如果已知網絡部分是前24位，主機部分是后8位，那么子網絡掩碼就是11111111.11111111.11111111.00000000，寫成十進制就是255.255.255.0。
知道"子網掩碼"，我們就能判斷，任意兩個IP地址是否處在同一個子網絡。方法是將兩個IP地址與子網掩碼分別進行AND運算（兩個數位都為1，運算結果為1，否則為0），然后比較結果是否相同，如果是的話，就表明它們在同一個子網絡中，否則就不是。
比如，已知IP地址172.16.254.1和172.16.254.233的子網掩碼都是255.255.255.0，請問它們是否在同一個子網絡？兩者與子網掩碼分別進行AND運算，結果都是172.16.254.0，因此它們在同一個子網絡。
在這里，可以這樣來理解，子網掩碼實際告訴了我們IP地址中哪些是網絡部分，哪些是主機部分。
總結一下，IP協議的作用主要有兩個，一個是為每一臺計算機分配IP地址，另一個是確定哪些地址在同一個子網絡。
4.3 IP數據包
根據IP協議發送的數據，就叫做IP數據包。不難想象，其中必定包括IP地址信息。
但是前面說過，以太網數據包只包含MAC地址，并沒有IP地址的欄位。那么是否需要修改數據定義，再添加一個欄位呢？
回答是不需要，我們可以把IP數據包直接放進以太網數據包的"數據"部分，因此完全不用修改以太網的規格。這就是互聯網分層結構的好處：上層的變動完全不涉及下層的結構。
具體來說，IP數據包也分為"標頭"和"數據"兩個部分。
"標頭"部分主要包括版本、長度、IP地址等信息，"數據"部分則是IP數據包的具體內容。它放進以太網數據包后，以太網數據包就變成了下面這樣。
IP數據包的"標頭"部分的長度為20到60字節，整個數據包的總長度大為65,535字節。因此，理論上，一個IP數據包的"數據"部分，長為65,515字節。前面說過，以太網數據包的"數據"部分，長只有1500字節。因此，如果IP數據包超過了1500字節，它就需要分割成幾個以太網數據包，分開發送了。
4.4 ARP協議
關于"網絡層"，還有后一點需要說明。
因為IP數據包是放在以太網數據包里發送的，所以我們必須同時知道兩個地址，一個是對方的MAC地址，另一個是對方的IP地址。通常情況下，對方的IP地址是已知的（后文會解釋），但是我們不知道它的MAC地址。
所以，我們需要一種機制，能夠從IP地址得到MAC地址。
這里又可以分成兩種情況。第一種情況，如果兩臺主機不在同一個子網絡，那么事實上沒有辦法得到對方的MAC地址，只能把數據包傳送到兩個子網絡連接處的"網關"（gateway），讓網關去處理。
第二種情況，如果兩臺主機在同一個子網絡，那么我們可以用ARP協議，得到對方的MAC地址。ARP協議也是發出一個數據包（包含在以太網數據包中），其中包含它所要查詢主機的IP地址，在對方的MAC地址這一欄，填的是FF:FF:FF:FF:FF:FF，表示這是一個"廣播"地址。它所在子網絡的每一臺主機，都會收到這個數據包，從中取出IP地址，與自身的IP地址進行比較。如果兩者相同，都做出回復，向對方報告自己的MAC地址，否則就丟棄這個包。
總之，有了ARP協議之后，我們就可以得到同一個子網絡內的主機MAC地址，可以把數據包發送到任意一臺主機之上了。
五、傳輸層
5.1 傳輸層的由來
有了MAC地址和IP地址，我們已經可以在互聯網上任意兩臺主機上建立通信。
接下來的問題是，同一臺主機上有許多程序都需要用到網絡，比如，你一邊瀏覽網頁，一邊與朋友在線聊天。當一個數據包從互聯網上發來的時候，你怎么知道，它是表示網頁的內容，還是表示在線聊天的內容？
也就是說，我們還需要一個參數，表示這個數據包到底供哪個程序（進程）使用。這個參數就叫做"端口"（port），它其實是每一個使用網卡的程序的編號。每個數據包都發到主機的特定端口，所以不同的程序就能取到自己所需要的數據。
"端口"是0到65535之間的一個整數，正好16個二進制位。0到1023的端口被系統占用，用戶只能選用大于1023的端口。不管是瀏覽網頁還是在線聊天，應用程序會隨機選用一個端口，然后與服務器的相應端口聯系。
"傳輸層"的功能，就是建立"端口到端口"的通信。相比之下，"網絡層"的功能是建立"主機到主機"的通信。只要確定主機和端口，我們就能實現程序之間的交流。因此，Unix系統就把主機+端口，叫做"套接字"（socket）。有了它，就可以進行網絡應用程序開發了。
5.2 UDP協議
現在，我們必須在數據包中加入端口信息，這就需要新的協議。簡單的實現叫做UDP協議，它的格式幾乎就是在數據前面，加上端口號。
UDP數據包，也是由"標頭"和"數據"兩部分組成。
"標頭"部分主要定義了發出端口和接收端口，"數據"部分就是具體的內容。然后，把整個UDP數據包放入IP數據包的"數據"部分，而前面說過，IP數據包又是放在以太網數據包之中的，所以整個以太網數據包現在變成了下面這樣：
UDP數據包非常簡單，"標頭"部分一共只有8個字節，總長度不超過65,535字節，正好放進一個IP數據包。
5.3 TCP協議
UDP協議的優點是比較簡單，容易實現，但是缺點是可靠性較差，一旦數據包發出，無法知道對方是否收到。
為了解決這個問題，提高網絡可靠性，TCP協議就誕生了。這個協議非常復雜，但可以近似認為，它就是有確認機制的UDP協議，每發出一個數據包都要求確認。如果有一個數據包遺失，就收不到確認，發出方就知道有必要重發這個數據包了。
因此，TCP協議能夠確保數據不會遺失。它的缺點是過程復雜、實現困難、消耗較多的資源。
TCP數據包和UDP數據包一樣，都是內嵌在IP數據包的"數據"部分。TCP數據包沒有長度限制，理論上可以無限長，但是為了保證網絡的效率，通常TCP數據包的長度不會超過IP數據包的長度，以確保單個TCP數據包不必再分割。
六、應用層
應用程序收到"傳輸層"的數據，接下來就要進行解讀。由于互聯網是開放架構，數據來源五花八門，必須事先規定好格式，否則根本無法解讀。
"應用層"的作用，就是規定應用程序的數據格式。
舉例來說，TCP協議可以為各種各樣的程序傳遞數據，比如Email、WWW、FTP等等。那么，必須有不同協議規定電子郵件、網頁、FTP數據的格式，這些應用程序協議就構成了"應用層"。
這是高的一層，直接面對用戶。它的數據就放在TCP數據包的"數據"部分。因此，現在的以太網的數據包就變成下面這樣。
至此，整個互聯網的五層結構，自下而上全部講完了。注：這只是從系統的角度，并不涉及用戶的角度，解釋了互聯網是如何構成的。
